國六柴油機進氣流量控制策略優化

郭冬雪，潘偉，莊明超，李靜靜, 張成偉

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

重型柴油機排放標準已升級到國六階段，廢氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)-氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術是國六柴油機控制排放的主流技術路線，其中EGR系統中通常采用進氣流量(mass air flow，MAF)傳感器測量進氣質量流量[1]。MAF傳感器測量方式的特點是傳感器(管路)與標定數據綁定，一管一標，同一臺發動機，即使更換了相同批次的整車進氣管路，也需要對MAF傳感器重新標定。如果MAF傳感器標定不準確，進氣量測量出現偏差，影響EGR閥開度，進而影響發動機噴油及燃燒特性，可導致車輛動力不足、冒黑煙、DPF過載等故障。

MAF傳感器與進氣壓力傳感器(barometric pressure sensor，BPS)一般布置在進氣管路。MAF傳感器用于測量EGR系統新鮮空氣流量，一般選用熱膜式傳感器;BPS用于測量總的進氣歧管壓力[2],BPS測得的壓力數據經電子控制單元(electronic control unit，ECU)換算為進氣量。MAF傳感器與BPS的測量位置不同，因此只能在一些特殊工況中實現2個傳感器進氣流量的校驗。

據統計，采用EGR的國六柴油機發生的動力不足或冒黑煙等故障中，30% 以上是由MAF傳感器測量偏差導致，但是市場維修人員往往按慣性思維優先檢測排查DPF、噴油器等零部件[3-4]，忽略MAF傳感器標定，造成故障誤判。為解決MAF傳感器測量偏差引起的誤判故障，分析MAF傳感器測量原理及控制邏輯，本文中選擇DPF再生工況下，通過對MAF傳感器與BPS進行進氣流量校驗，優化MAF控制邏輯，解決MAF傳感器標定偏差。

1 MAF傳感器

1.1 物理結構及安裝位置

MAF傳感器由殼體、熱膜、溫度傳感器、控制電路板、電連接器金屬防護網等構成[5]。傳感器殼體兩端設置與進氣道相連接的圓形連接接頭，空氣入口和出口都設有防止傳感器受到機械損傷的防護網。傳感器入口與空氣濾清器一端的進氣管連接，出口與節流閥體一端的進氣管連接。MAF傳感器結構示意圖如圖1所示。

圖1 MAF傳感器結構示意圖

EGR路線國六柴油機進氣系統主要包括空氣濾清器、MAF傳感器、進氣節流閥、EGR、BPS、增壓器、中冷器等。BPS一般位于氣缸之前的進氣管路上，MAF傳感器與BPS在進氣管路中的布置位置如圖2所示。MAF傳感器的測量精度受整車管路影響，當車輛的進氣管路布置發生變化時，MAF傳感器必須重新進行標定。

圖2 MAF傳感器與BPS位置示意圖

1.2 工作原理

MAF傳感器的內部電路連接成電橋電路，熱膜電阻 RH和溫度補償電阻 RT分別連接到電橋的一個臂上，電橋各個臂的電流由控制電路A控制，如圖3所示。

a) MAF b) 控制電路A RH—熱膜電阻； RT—溫度補償電阻；R1、R2—精密電阻；RS—取樣電阻；UCC—電源電壓；US—信號電壓。

電橋電壓平衡時，控制電路供給RH的電流IH(IH= 50～120 mA)使其溫度TH保持恒定，供給RT的電流使TH與TT(RT的溫度)之差保持恒定。當空氣流經RH和RT時，TH與TT降低，電阻減小。RH的電阻減小，電橋電壓失去平衡，控制電路將增大IH使其溫度保持恒定。電流的增加取決于RH受到冷卻的程度，即取決于流過MAF傳感器的空氣量。當電橋電流增大時，取樣電阻RS的電壓升高，從而將空氣流量的變化轉換為RS的信號電壓Us的變化。由于電阻為線性元件，因此US將隨空氣流量的變化而線性變化，US輸入電子控制單元ECU后，ECU便可根據US計算空氣流量[6]。

1.3 MAF控制策略

MAF傳感器控制策略如圖4所示。EGR路線國六柴油機主要通過對MAF傳感器測量值與模型計算的MAF需求值進行比例積分微分(proportional integral differential, PID)調節控制，最終控制EGR開度，其中：MAF測量值主要通過MAF傳感器測量電壓，再換算成新鮮空氣進氣質量流量；MAF模型值為通過BPS處的換算進氣量與EGR設定廢氣流量的差；EGR廢氣流量根據當前工況的發動機轉速、噴油量從設定EGR率主map中查得，再經過高原修正、進氣溫度修正后得到。以EGR閥實際開度作為前饋值，與MAF模型值比較之后計算出的EGR設定值作為后饋值，實現EGR開度的閉環控制。

圖4 MAF控制策略

2 MAF測量偏差的影響

由MAF控制策略可知，MAF控制偏差直接影響發動機進氣系統EGR閥的開度，從而影響發動機進氣量，間接影響發動機噴油及燃燒性能，最終影響發動機動力性、經濟性[7-8]。國六車輛實際運行中，MAF標定不準導致車輛動力不足、冒黑煙、DPF過載的故障頻發。

2.1 臺架試驗

通過發動機臺架試驗，驗證MAF偏差對發動機排放影響[9-10]。選擇瞬態測試循環(world harmonized transient cycle，WHTC)工況，控制發動機MAF相對實際值與設定值的不同偏差范圍，驗證MAF測量偏差對柴油機NOx及soot排放的影響[11]。相對偏差為MAF傳感器測量和模型計算進氣量之差的絕對值與MAF傳感器測量結果的比。BPS測得的進氣流量受到進氣節流閥開度、EGR閥開度的影響，因此為精確控制BPS與MAF傳感器測量偏差，試驗過程中通過數據標定始終將發動機進氣節流閥保持全開狀態，而EGR閥保持常閉狀態。

MAF測量相對偏差對NOx及soot排放影響的臺架試驗結果如圖5所示。由圖5可知，當進氣量相對偏差向正、負方向逐步增大時NOx及soot排放相對偏差波動很大，當MAF偏差為20%時，NOx排放偏差高達45%， soot排放偏差為20%。只有精準控制MAF偏差才能將NOx及soot排放偏差控制在±10%以內。所以，要確保車輛排放達標，需嚴格控制MAF測量準確性。

圖5 MAF測量相對偏差臺架試驗排放影響

2.2 實際故障路譜

市場上某國六車輛存在動力不足、DPF過載及車輛冒黑煙的故障。為查明故障原因，首先對車輛進行常規檢查：1)檢查車輛油品正常，濾清器濾杯內油品清澈，取樣化驗正常；2)檢查氣門間隙無異常；3)檢查噴油器，通過博世試驗臺校正噴油器無異常；4)檢查進、排氣管路，不存在漏氣、吸癟情況，進氣壓力顯示正常；5)檢查后處理系統壓差傳感器，電壓均正常。

進一步采集故障車輛發動機路譜，故障路譜分析如表1所示。

表1 故障路譜分析

由表1可知，MAF傳感器實測進氣流量均小于模型計算流量，相對偏差為18.81%～28.57%。通過手動標定，使MAF傳感器實測和模型計算進氣流量一致，故障得以解決。臺架試驗及市場實際故障均表明MAF測量偏差過大可導致車輛動力不足、DPF過載及車輛冒黑煙等。

3 優化與驗證

BPS與MAF傳感器的安裝位置不同，MAF傳感器實測進氣流量與BPS傳感器換算進氣流量都受發動機進氣節流閥開度、EGR閥開度的影響。

3.1 DPF主動再生工況的MAF校驗

國六車輛運行過程中，當DPF碳載量超過4 g/L時，DPF需要進行主動再生，后處理碳氫噴嘴向后處理系統中噴射柴油，在高溫條件下氧化燃燒，清除積碳。DPF再生各階段示意圖如圖6所示。駐車再生主要分為4個階段：加熱一階段、加熱二階段、再生噴油階段、排氣冷卻階段。4個階段特征明顯，每個階段轉速穩定，進氣節流閥全開，EGR閥關閉，此時可以實現MAF傳感器和BPS進氣流量的校驗，若兩者偏差較大，校驗不通過，報出故障。

圖6 DPF再生各階段示意圖

3.2 優化MAF控制邏輯

發動機在原有數據的基礎上，增加MAF標定偏差故障的報錯，減少對故障的誤判。通過優化MAF控制邏輯，在MAF 控制邏輯的基礎上增加對發動機運行模式的判斷，發動機運行模式包含一般運行模式、SCR加熱模式、DPF再生模式、高原運行模式、高寒運行模式等。MAF標定偏差故障報出需同時滿足2個條件:1)發動機處于DPF再生運行模式，當發動機處于DPF再生狀態，進氣節流閥全開，EGR閥關閉，此時MAF傳感器和BPS傳感器進氣流量理論上是一致的，才具有比較價值;2)MAF 傳感器實測進氣量與BPS 換算進氣量差的絕對值與MAF傳感器實測進氣量的比值超過10%。當同時滿足以上2個條件，ECU 報出MAF標定偏差大的故障,點亮儀表故障燈,同時ECU 主動對車輛進行限扭限速。在特定工況下通過對MAF標定校驗,可以迅速鎖定故障原因,防止故障進一步惡化引發DPF 過載、冒黑煙等其他故障。

3.3 實車試驗驗證

在某國六EGR車輛上對DPF駐車再生工況下的MAF控制策略進行滿足控制要求優化驗證，結果如表2所示。由表2可知，采用優化后的MAF控制策略，MAF測量相對偏差均不超過10%。

表2 優化MAF控制邏輯實車驗證結果

3.4 市場驗證

將優化MAF邏輯刷寫到國六車輛中，在深圳地區試運行，統計對比前、后3個月MAF傳感器誤判故障情況，結果如表3所示。

表3 邏輯優化前后故障數對比

由表3可知，優化MAF控制邏輯后，由MAF測量偏差過大引起的故障誤判率由31.9%降低到3.3%。實車試驗驗證和實際市場驗證均表明優化后的MAF傳感器控制策略可行有效，可減少MAF測量偏差引起的誤判率。

4 結語

MAF測量進氣量的準確性和發動機燃燒息息相關，直接影響EGR率，從而影響噴油量以及DPF的積碳速率。本文中解析并優化MAF控制策略，及時對MAF傳感器測量偏差進行監控，使MAF偏差引起的誤判故障率由31.9%降低到3.3%，減少了MAF測量偏差引起的誤判率，提高了發動機可靠性。